基于Geostudio與Flac 3D的淺層滑坡穩(wěn)定性研究

張騫棋

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

目前邊坡穩(wěn)定性研究廣泛采用剛體極限平衡法，GeoStudio數(shù)值分析軟件中的SLOPE/W 模塊是以極限平衡理論為基礎(chǔ)來分析邊坡穩(wěn)定性的, 其分析過程采用瑞典條分法、Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法 (M-P法) 等原理, 能夠根據(jù)地質(zhì)條件建立邊坡模型，較為準(zhǔn)確得出邊坡穩(wěn)定或失穩(wěn)時(shí)的安全系數(shù),并搜索出可能的破壞面[1]。但是傳統(tǒng)的剛體極限平衡理論沒有考慮巖土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程。

與傳統(tǒng)的極限平衡法相比，各種數(shù)值模擬分析方法在分析大變形上面具有很大優(yōu)勢(shì)。美國(guó)Itasca Consulting Group, Inc公司開發(fā)的Flac 3D是一種基于拉格朗日差分法的有限差分程序，具有豐富的本構(gòu)模型，其前后處理功能強(qiáng)大，可以模擬模型趨于平衡的整個(gè)過程，通過對(duì)過程中的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及塑性變形特征的分析，驗(yàn)證邊坡變形及裂縫，預(yù)測(cè)其變形趨勢(shì)[2-3]。但是Flac 3D數(shù)值分析方法無法像極限平衡法一樣直接給出穩(wěn)定系數(shù)，而軟件自帶的強(qiáng)度折減程序模塊計(jì)算安全系數(shù)的方法適用于網(wǎng)格規(guī)則、規(guī)模較小的邊坡，針對(duì)大型邊坡及網(wǎng)格數(shù)量較多的模型則運(yùn)算效率極低，甚至報(bào)錯(cuò)，只能通過基于應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的關(guān)聯(lián)流動(dòng)法、強(qiáng)度折減法等方法進(jìn)行計(jì)算，而這則大幅增加了計(jì)算時(shí)步，在建模時(shí)微小的差異都有可能帶來計(jì)算結(jié)果的較大誤差，無形中增加了計(jì)算代價(jià)[2]。

本文以某公路堆積體邊坡為例，旨在通過基于極限平衡理論的Geostudio軟件的SLOPE/W 模塊計(jì)算堆積體邊坡在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)，搜索潛在滑面，同時(shí)，利用Flac 3D模擬邊坡變形的整個(gè)過程，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)特征，與Geostudio計(jì)算結(jié)果對(duì)比，分析其發(fā)生應(yīng)力集中與最大變形的部位，為邊坡穩(wěn)定性分析提供一種更為簡(jiǎn)潔、可靠的方法，為邊坡治理提供更為可靠的技術(shù)支持。

1 工程概況

研究區(qū)滑坡位于某河段上游左岸，深切河谷地貌，雨季較長(zhǎng)，地表水量較大，區(qū)內(nèi)未見地下水發(fā)育。滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀，縱向長(zhǎng)約42 m，橫向?qū)捈s55 m，整體坡度約50(°)，中上部位較陡可達(dá)64(°)，滑坡方量約0.5×104m3。該滑坡變形以側(cè)緣縱向拉裂縫、中上部橫向拉裂縫為主，主拉方向與滑動(dòng)方向大體一致?；履壳疤幱谌浠瑺顟B(tài)。

滑坡區(qū)基巖巖性為二疊系棲霞組厚層塊狀灰?guī)r，含燧石結(jié)核，滑體物質(zhì)組成主要為碎、塊石黏土，母巖成分以灰?guī)r為主，碎石含量較高，粘土呈硬塑狀態(tài)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 力學(xué)模型與力學(xué)參數(shù)

本文滑坡為松散堆積體滑坡，因此兩種數(shù)值分析方法均采用Mohr-Coulumb本構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算[4]。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、滑體物質(zhì)成分、滑坡結(jié)構(gòu)特征類比同類工程經(jīng)驗(yàn)及參數(shù)反演，最終確定滑帶土物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)以上力學(xué)參數(shù)，分別建立了Geostudio與Flac 3D二維模型，區(qū)內(nèi)不發(fā)育地下水，不考慮地下水位以及地震力的影響，如圖1、圖2所示。

圖1 邊坡Geostudio二維模型

圖2 邊坡Flac 3D模型

模型斷面寬度為40 m，高度為36 m，F(xiàn)lac模型為通過ANSYS-FLAC接口劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入flac中，共216個(gè)單元，408個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果

本文通過Geostudio計(jì)算獲得滑坡穩(wěn)定系數(shù)，經(jīng)過模擬計(jì)算，得到在天然工況下幾種計(jì)算方法的穩(wěn)定系數(shù)，見表2。

表2 不同計(jì)算方法的穩(wěn)定性系數(shù)

由表2可知，在天然工況下，該堆積體邊坡均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。其中，摩根斯坦法作為極限平衡法的一種，由于考慮因素較多，除了計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)外，還可以分析各土條的受力情況，因而是比較精確的[1]。因此，后續(xù)的對(duì)比分析中采用M-P法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。

Flac 3D模擬計(jì)算過程中，最大不平衡力趨于0，表明體系最終達(dá)到了力平衡狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 Flac 3D不平衡力演化全程曲線

3 模擬成果分析

3.1 滑體潛在滑面

Geostudio計(jì)算后，可以清楚得到滑坡潛在滑面及滑帶，如圖4所示。

Flac 3D計(jì)算后得到的位移云圖如圖5所示。

圖4 Geostudio計(jì)算滑帶

圖5 Flac 3D計(jì)算位移矢量圖

由圖5可知，滑體在上部位移表現(xiàn)為“沉降”，中部位移與坡面近乎平行，下部位移在坡腳表現(xiàn)為“剪出”。與此同時(shí)，Geostudio顯示的潛在滑面與Flac 3D模擬的位移形態(tài)近似一致，表明邊坡的潛在破壞以淺層圓弧形剪切破壞為主。

3.2 位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

通過Flac 3D模擬計(jì)算，可以得到滑體在X方向與Z方向的位移云圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，滑體于前緣坡腳位置發(fā)生X方向最大位移，后緣坡頂位置發(fā)生Z方向最大位移。這與Geostudio模擬搜索得到的滑帶位置基本一致。

3.3 應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律分析

根據(jù)Flac 3D數(shù)值計(jì)算得到各應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖6 滑體應(yīng)力平衡時(shí)X方向位移云圖

圖7 滑體應(yīng)力平衡時(shí)Z方向位移云圖

圖8 最大主應(yīng)力云圖

由圖8可看出最大主應(yīng)力與坡面基本平行，并延伸到坡腳，這對(duì)邊坡穩(wěn)定十分不利。同時(shí)，在基覆界面及坡腳位置產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，說明此處為變形破壞發(fā)生的位置。

通過Geostudio軟件計(jì)算得到剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力曲線如圖9、圖10所示。

圖9 剪應(yīng)力變化曲線

圖10 最大主應(yīng)力變化曲線

由圖9、圖10可知，在坡腳位置X=30 m處發(fā)生最大剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力，與Flac 3D模擬計(jì)算得到的結(jié)果相一致。

3.4 最不利變形位置

Flac 3D模擬計(jì)算得到的剪切增量云圖見圖11，塊體塑性區(qū)分布見圖12。

圖11 剪切增量云圖

圖12 塊體塑性區(qū)分布圖

由圖11、圖12可知，滑坡體在滑坡前緣與后緣上部產(chǎn)生橫向裂縫的部位發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生變形最大。

3.5 滑坡機(jī)制分析

結(jié)合Flac 3D計(jì)算得到的應(yīng)力分布特征與位移分布特征和Geostudio計(jì)算得到的剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力曲線圖，分析滑坡形成機(jī)制：滑坡體坡面較陡，雨水沿后壁進(jìn)入滑坡體內(nèi)，在基覆界面形成軟弱帶，滑體內(nèi)部發(fā)生蠕變，在滑坡前緣與后緣上部產(chǎn)生橫向裂縫的部位發(fā)生應(yīng)力集中，坡頂產(chǎn)生豎向位移，推擠下部塊體移動(dòng)，最終在坡腳剪出，形成圓弧滑面的推移式滑坡。

4 處理措施建議

根據(jù)Geostudio計(jì)算結(jié)果，得出在天然工況下滑坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，并搜索得到潛在滑面，結(jié)合Flac 3D數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了Geostudio計(jì)算結(jié)果正確，并由Flac 3D位移、應(yīng)力與剪切塑性區(qū)云圖得知，滑坡在坡腳及坡頂橫向裂縫部位發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生最大變形。因此，在滑坡治理設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮坡腳抗滑與坡頂錨固相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。

滑坡堆積體常規(guī)治理方案主要包括抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、減重和反壓、擋土墻、錨索樁等[5]。結(jié)合本邊坡工程特點(diǎn)，推薦采用擋土墻+預(yù)應(yīng)力錨索框架梁的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行治理。在坡腳位置設(shè)計(jì)重力式擋土墻，后緣坡頂橫向裂縫處設(shè)計(jì)一排預(yù)應(yīng)力錨索框架梁。另外，降雨對(duì)滑坡穩(wěn)定性具有十分重要的影響，因此，在擋土墻頂部與滑坡后緣設(shè)置截水天溝與排水溝，做好防排水設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

通過采用基于極限平衡原理的Geostudio與基于有限差分原理的Flac 3D兩種數(shù)值模擬軟件，對(duì)某堆積體滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。得出以下結(jié)論：

1)Geostudio計(jì)算得到的滑坡穩(wěn)定系數(shù)與Flac 3D模擬滑坡趨于平衡狀態(tài)一致，均為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2)Geostudio搜索得到潛在滑面與Flac 3D模擬得到的剪切應(yīng)變和塑性變形區(qū)一致。

3)結(jié)合Flac 3D計(jì)算得到的應(yīng)力分布特征與位移分布特征和Geostudio計(jì)算得到的剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力曲線圖，分析滑坡形成機(jī)制：滑坡體在滑坡前緣與后緣上部產(chǎn)生橫向裂縫的部位發(fā)生應(yīng)力集中，坡頂產(chǎn)生豎向位移，推擠下部塊體移動(dòng)，最終在坡腳剪出，形成圓弧滑面的推移式滑坡。

4)根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合工程特性，提出擋土墻+預(yù)應(yīng)力錨索框架梁+排水的處理方案。

5)結(jié)合Geostudio與Flac 3D兩種基于不同計(jì)算原理的邊坡穩(wěn)定性分析方法，可以克服Geostudio無法分析應(yīng)力應(yīng)變過程、預(yù)測(cè)變形趨勢(shì)與Flac 3D無法直接得出穩(wěn)定性系數(shù)的缺點(diǎn)，分析過程更為簡(jiǎn)便。